JP2013160990A - Optical scanner - Google Patents

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JP2013160990A
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Shinji Kashiwada
真司 柏田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To expand a scanning range in a main scanning direction.SOLUTION: In an optical scanner 1, a three-degree-of-freedom coupled oscillatory system comprises a mirror 13, an inner gimbal 12, an outer gimbal 11, a support part 3 and elastic connection parts 14 to 16. Therefore, the optical scanner applies voltage between interdigital electrode parts 17 and 19 and interdigital electrode parts 4a and 4b, and operates periodic external force on the outer gimbal 11. A signal for driving the interdigital electrode part 4a is a signal obtained by multiplying a first main scanning drive signal whose voltage at a main scanning frequency changes from a low level of 0 V to a high level higher than the low level and whose duty is 50% by a first subscanning drive signal whose voltage at a subscanning frequency changes from a low level higher than 0 V to a high level higher than the low level and whose duty is 50%. And a signal for driving the interdigital electrode part 4b is a signal obtained by multiplying a signal with a phase of the first main scanning drive signal shifted 180° by a signal with a phase of the first subscanning drive signal shifted 180°.

Description

本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。   The present invention relates to an optical scanning device that scans a light beam.

近年、光走査装置の小型化を目的として、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用した光走査装置が種々提案されている。
これに対して本願出願人は、3自由度捻り振動系を圧電バイモルフで加振することにより2個の振動モードを励振して、中央に配置されたミラーを2方向に捻り振動させ、2次元の光走査をするように構成した2次元光走査装置を提案している(特許文献1参照)。
In recent years, various optical scanning devices using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology have been proposed for the purpose of downsizing the optical scanning device.
On the other hand, the applicant of the present application excites two vibration modes by exciting a three-degree-of-freedom torsional vibration system with a piezoelectric bimorph, and torsionally vibrates a mirror disposed in the center in two directions. A two-dimensional optical scanning device configured to perform optical scanning is proposed (see Patent Document 1).

特開平7−199099号公報JP-A-7-199099

2次元光走査装置では一般に、高周波で振動する主走査方向の走査範囲が、低周波で振動する副走査方向の走査範囲よりも大きいことが望まれる。しかし、主走査方向は、高周波で振動させる必要があるために、その走査範囲を大きくすることが難しいという問題があった。   In general, in a two-dimensional optical scanning device, it is desired that the scanning range in the main scanning direction oscillating at a high frequency is larger than the scanning range in the sub scanning direction oscillating at a low frequency. However, since the main scanning direction needs to be vibrated at a high frequency, there is a problem that it is difficult to enlarge the scanning range.

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、2次元光走査装置において主走査方向の走査範囲を大きくすることを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to increase the scanning range in the main scanning direction in a two-dimensional optical scanning device.

上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部に連結された弾性変形可能な第1弾性連結部を有し、第1弾性連結部を第1回転軸として反射部を揺動可能に支持する第1支持部と、第1支持部に連結された弾性変形可能な第2弾性連結部を有し、第2弾性連結部を第2回転軸として第1支持部を揺動可能に支持する第2支持部と、第2支持部に連結された弾性変形可能な第3弾性連結部を有し、第3弾性連結部を第3回転軸として第2支持部を揺動可能に支持する第3支持部とを備えて、反射部、第1支持部、第2支持部、第3支持部、第1弾性連結部、第2弾性連結部、及び第3弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成する。   In order to achieve the above object, an optical scanning device according to claim 1, further comprising: a reflecting portion having a reflecting surface for reflecting the light beam; and an elastically deformable first elastic connecting portion connected to the reflecting portion. And a first support portion that swingably supports the reflection portion with the first elastic connection portion as a first rotation axis, and a second elastic connection portion that is elastically deformable connected to the first support portion, A second support portion that swingably supports the first support portion with the second elastic connection portion as a second rotation axis, and a third elastic connection portion that is elastically deformable connected to the second support portion; A third support portion that swingably supports the second support portion with the elastic coupling portion as the third rotation axis, and includes a reflection portion, a first support portion, a second support portion, a third support portion, and a first elasticity. The connecting portion, the second elastic connecting portion, and the third elastic connecting portion are torsionally vibrated at a large rotation angle when an inherent periodic external force is applied. Configuring the freedom coupled vibration system.

このため、請求項1に記載の光走査装置は、第3支持部を固定端として、第1弾性連結部、第2弾性連結部、および第3弾性連結部に対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。   For this reason, the optical scanning device according to claim 1 has a degree of freedom of twisting with respect to the first elastic connecting portion, the second elastic connecting portion, and the third elastic connecting portion with the third support portion as a fixed end. It is a torsional vibrator with 3 degrees of freedom.

3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。すなわち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する反射部、第1支持部、および第2支持部の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。したがって、或る振動モードにおいて、第2支持部の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、反射部および第1支持部の角度振幅が大きくなる。   A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratios of the angular amplitudes of the torsional vibrations of the reflection part, the first support part, and the second support part with respect to each resonance frequency are different (this is called a vibration mode). . Therefore, when the angular amplitude of the second support portion increases in a certain vibration mode, the angular amplitude of the reflection portion and the first support portion increases according to the ratio of the angular amplitude in the vibration mode.

そして外力作用手段が、3自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。これにより、3自由度捻り振動子を共振状態にできる。
また、3つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
Then, the external force application means applies a periodic external force unique to the three-degree-of-freedom coupled vibration system. As a result, the torsional vibrator having three degrees of freedom can be brought into a resonance state.
Further, if a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of the three vibration modes is given, each vibration mode can be excited. In addition, if a plurality of periodic excitation forces with a plurality of frequencies are superimposed and applied, a plurality of vibration modes can be excited simultaneously.

したがって、反射部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、第1支持部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、反射部で反射するレーザ光を2次元的に走査することができる。   Accordingly, the periodic excitation force corresponding to the vibration mode having a large angular amplitude of the reflecting portion and the periodic excitation force corresponding to the vibration mode having a large angular amplitude of the first support portion are superimposed and given. The laser beam reflected by the part can be scanned two-dimensionally.

そして外力作用手段は、第3回転軸を挟んだ第2支持部の両側のうち一方側に固有の周期的外力を作用させる第1外力作用手段と、第3回転軸を挟んだ第2支持部の両側のうち他方側に固有の周期的外力を作用させる第2外力作用手段とから構成される。   The external force acting means includes a first external force acting means that applies a specific periodic external force to one side of both sides of the second support portion sandwiching the third rotation shaft, and a second support portion sandwiching the third rotation shaft. And a second external force acting means for applying a specific periodic external force to the other of the two sides.

さらに、外力作用手段を駆動させるための駆動信号を生成する駆動信号生成手段は、第1外力作用手段を駆動させるための第1駆動信号と、第2外力作用手段を駆動させるための第2駆動信号を生成する。   Further, the drive signal generation means for generating a drive signal for driving the external force action means includes a first drive signal for driving the first external force action means and a second drive for driving the second external force action means. Generate a signal.

そして第1駆動信号は、反射部が揺動する周波数である主走査周波数で電圧が、0Vとなるように予め設定された第1ローレベルから、第1ローレベルより高くなるように予め設定された第1ハイレベルに変化するとともにデューティが50%である第1パルス信号と、第1支持部が揺動する周波数である副走査周波数で電圧が、0Vより高くなるように予め設定された第2ローレベルから、第2ローレベルより高くなるように予め設定された第2ハイレベルに変化するとともにデューティが50%である第2パルス信号とを乗算した信号であり、第2駆動信号は、第1パルス信号の位相を180°ずらした信号と、第2パルス信号の位相を180°ずらした信号とを乗算した信号である。   The first drive signal is set in advance so that the voltage is higher than the first low level from the first low level that is set in advance so that the voltage becomes 0 V at the main scanning frequency that is the frequency at which the reflecting portion swings. In addition, the first pulse signal that changes to the first high level and has a duty of 50% and the sub-scanning frequency that is the frequency at which the first support portion swings are set in advance so that the voltage is higher than 0V. A signal obtained by multiplying the second pulse signal having a duty of 50% while changing from a second low level to a second high level set in advance so as to be higher than the second low level. This is a signal obtained by multiplying a signal obtained by shifting the phase of the first pulse signal by 180 ° and a signal obtained by shifting the phase of the second pulse signal by 180 °.

まず、第1駆動信号および第2駆動信号は、主走査周波数で振動するパルス信号と、副走査周波数で振動するパルス信号とを乗算した信号である。このため、第1外力作用手段および第2外力作用手段はそれぞれ、第3回転軸を挟んだ第2支持部の一方側および他方側に、反射部が主走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力と、第1支持部が副走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることができる。これにより、反射部が主走査周波数で振動するとともに、第1支持部が副走査周波数で振動し、反射部で反射するレーザ光を2次元的に走査することができる。なお、上記の重畳された周期的加振力が第2支持部に与えられることにより、第2支持部は、第3弾性連結部を第3回転軸として、主走査周波数で往復振動するとともに、副走査周波数でうねるように振動する。   First, the first drive signal and the second drive signal are signals obtained by multiplying a pulse signal that oscillates at the main scanning frequency by a pulse signal that oscillates at the sub-scanning frequency. For this reason, the first external force application means and the second external force application means respectively correspond to vibration modes in which the reflection part vibrates at the main scanning frequency on one side and the other side of the second support part across the third rotation shaft. A periodic excitation force and a periodic excitation force corresponding to a vibration mode in which the first support portion vibrates at the sub-scanning frequency can be applied in a superimposed manner. Thereby, the reflection part vibrates at the main scanning frequency, and the first support part vibrates at the sub-scanning frequency, and the laser beam reflected by the reflection part can be scanned two-dimensionally. In addition, by applying the superimposed periodic excitation force to the second support part, the second support part reciprocally vibrates at the main scanning frequency with the third elastic coupling part as the third rotation axis. Vibrates to swell at the sub-scanning frequency.

そして第1駆動信号は、上記の第1パルス信号と上記の第2パルス信号とを乗算した信号である。このため第1駆動信号は、主走査周波数で電圧値が0Vから、0Vより高い所定のハイレベル(以下、第1駆動信号ハイレベルという)に変化する。   The first drive signal is a signal obtained by multiplying the first pulse signal and the second pulse signal. For this reason, the first drive signal changes from a voltage value of 0 V to a predetermined high level higher than 0 V (hereinafter referred to as a first drive signal high level) at the main scanning frequency.

一方、第2駆動信号は、上記の第1パルス信号の位相を180°ずらした信号と、上記の第2パルス信号の位相を180°ずらした信号とを乗算した信号である。このため第2駆動信号の電圧値は、第1駆動信号の電圧が0Vのときに、0Vより高い所定のハイレベルになるとともに、第1駆動信号の電圧が第1駆動信号ハイレベルのときに、0Vになる。   On the other hand, the second drive signal is a signal obtained by multiplying a signal obtained by shifting the phase of the first pulse signal by 180 ° and a signal obtained by shifting the phase of the second pulse signal by 180 °. Therefore, the voltage value of the second drive signal becomes a predetermined high level higher than 0V when the voltage of the first drive signal is 0V, and when the voltage of the first drive signal is the first drive signal high level. , 0V.

したがって、第1外力作用手段が第2支持部の一方側に周期的加振力を与えているときには、第2外力作用手段は第2支持部の他方側に周期的加振力を与えていない。同様に、第2外力作用手段が第2支持部の他方側に周期的加振力を与えているときには、第1外力作用手段は第2支持部の一方側に周期的加振力を与えていない。   Therefore, when the first external force application means applies a periodic excitation force to one side of the second support portion, the second external force application means does not apply a periodic excitation force to the other side of the second support portion. . Similarly, when the second external force application means applies a periodic excitation force to the other side of the second support portion, the first external force application means applies a periodic excitation force to one side of the second support portion. Absent.

このため、第1外力作用手段および第2外力作用手段は互いに、他方の周期的加振力を打ち消すように自身の周期的加振力を第2支持部に与えるということがなくなる。これにより、第2支持部が第3弾性連結部を第3回転軸として主走査周波数で往復振動するときの振動振幅を大きくすることができる。そして、3自由度連成振動系では、反射部が主走査周波数で振動する振動振幅と、第1支持部が副走査周波数で振動する振動振幅は、第2支持部の振動振幅に比例する。このため、反射部が主走査周波数で振動する振動振幅が大きくなり、主走査方向の走査範囲を大きくすることができる。   For this reason, the first external force application means and the second external force application means do not apply their own periodic excitation force to the second support portion so as to cancel the other periodic excitation force. Thereby, the vibration amplitude when the second support portion reciprocally vibrates at the main scanning frequency using the third elastic coupling portion as the third rotation axis can be increased. In the three-degree-of-freedom coupled vibration system, the vibration amplitude at which the reflection portion vibrates at the main scanning frequency and the vibration amplitude at which the first support portion vibrates at the sub-scanning frequency are proportional to the vibration amplitude of the second support portion. For this reason, the vibration amplitude at which the reflecting portion vibrates at the main scanning frequency is increased, and the scanning range in the main scanning direction can be increased.

光走査装置1の構成を示す平面図である。1 is a plan view showing a configuration of an optical scanning device 1. FIG. 図1のA−A断面部を示す図である。It is a figure which shows the AA cross section of FIG. 図1のB−B断面部を示す図である。It is a figure which shows the BB cross-section part of FIG. 光走査装置1の電気的構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an electrical configuration of the optical scanning device 1. FIG. 駆動信号の電圧波形を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the voltage waveform of a drive signal. 図1のC−C断面部を示す図である。It is a figure which shows CC cross-section part of FIG. 外ジンバル11の振幅と第1,2駆動信号の電圧波形を示すタイミングチャートである。4 is a timing chart showing the amplitude of an outer gimbal 11 and voltage waveforms of first and second drive signals.

以下に本発明の実施形態について図面とともに説明する。
光走査装置1は、例えばSOI(Silicon On Insulator)ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものであり、図1に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部2と、光ビーム走査部2を支持する支持部3と、光ビーム走査部2に回転駆動力を印加する駆動部4と、光ビーム走査部2の回転角度を検出する角度検出部5とを備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The optical scanning device 1 is manufactured, for example, by processing an SOI (Silicon On Insulator) wafer by a semiconductor process, and as shown in FIG. 1, a light beam scanning unit 2 that scans a light beam, and a light beam scanning. A support unit 3 that supports the unit 2, a drive unit 4 that applies a rotational driving force to the light beam scanning unit 2, and an angle detection unit 5 that detects a rotation angle of the light beam scanning unit 2.

光ビーム走査部2は、外ジンバル11と内ジンバル12とミラー13と弾性連結部14a,14bと弾性連結部15a,15bと弾性連結部16a,16bと、櫛歯電極部17,18,19,20とから構成される。   The light beam scanning unit 2 includes an outer gimbal 11, an inner gimbal 12, a mirror 13, elastic connecting portions 14a and 14b, elastic connecting portions 15a and 15b, elastic connecting portions 16a and 16b, comb electrode portions 17, 18, 19, 20.

これらのうちミラー13は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。また内ジンバル12は、枠形状であり、枠内にミラー13が配置される。また外ジンバル11も、枠形状であり、枠内に内ジンバル12が配置される。   Among these, the mirror 13 has a circular shape, and a mirror surface portion of an aluminum thin film is formed on the surface. The inner gimbal 12 has a frame shape, and a mirror 13 is disposed in the frame. The outer gimbal 11 has a frame shape, and the inner gimbal 12 is disposed in the frame.

また弾性連結部16aは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル12の枠内に配置され、ミラー13と内ジンバル12とを連結する。また弾性連結部16bは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル12の枠内に配置され、ミラー13を挟んで弾性連結部16aと反対側において、ミラー13と内ジンバル12とを連結する。なお、弾性連結部16a及び弾性連結部16bは、ミラー13の重心JSを通る同一直線上に配置されており、ミラー13の回転軸kとなる。これによりミラー13は、回転軸kを中心に捩じり振動可能に構成される。   The elastic connecting portion 16 a is made of an elastically deformable material, and is disposed within the frame of the inner gimbal 12 to connect the mirror 13 and the inner gimbal 12. The elastic connecting portion 16b is made of an elastically deformable material, and is disposed in the frame of the inner gimbal 12. The mirror 13 and the inner gimbal 12 are connected to the opposite side of the elastic connecting portion 16a with the mirror 13 in between. Link. The elastic connecting portion 16 a and the elastic connecting portion 16 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the mirror 13 and serve as the rotation axis k of the mirror 13. As a result, the mirror 13 is configured to be capable of torsional vibration about the rotation axis k.

また弾性連結部15aは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11の枠内に配置され、内ジンバル12と外ジンバル11とを連結する。また弾性連結部15bは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11の枠内に配置され、内ジンバル12を挟んで弾性連結部15aと反対側において、内ジンバル12と外ジンバル11とを連結する。なお、弾性連結部15a及び弾性連結部15bは、ミラー13と内ジンバル12との重心JSを通る同一直線上に配置されており、ミラー13の回転軸jとなる。これにより内ジンバル12は、回転軸jを中心に捩じり振動可能に構成される。   The elastic connecting portion 15 a is made of an elastically deformable material, and is disposed in the frame of the outer gimbal 11 to connect the inner gimbal 12 and the outer gimbal 11. The elastic connecting portion 15b is made of an elastically deformable material, and is arranged in the frame of the outer gimbal 11. The inner gimbal 12 and the outer gimbal 11 are disposed on the opposite side of the inner connecting gimbal 12 from the elastic connecting portion 15a. And The elastic connecting portion 15 a and the elastic connecting portion 15 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the mirror 13 and the inner gimbal 12 and serve as the rotation axis j of the mirror 13. As a result, the inner gimbal 12 is configured to be capable of torsional vibration about the rotation axis j.

また弾性連結部14aは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11の上辺11aと支持部3とを連結する。また弾性連結部14bは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11を挟んで弾性連結部14aと反対側において、外ジンバル11の下辺11bと支持部3とを連結する。なお、弾性連結部14a及び弾性連結部14bは、ミラー13と内ジンバル12と外ジンバル11との重心JSを通る同一直線上に配置されており、外ジンバル11の回転軸iとなる。これにより外ジンバル11は、回転軸iを中心に捩じり振動可能に構成される。   The elastic connecting portion 14 a is made of an elastically deformable material, and connects the upper side 11 a of the outer gimbal 11 and the support portion 3. The elastic connecting portion 14b is made of an elastically deformable material, and connects the lower side 11b of the outer gimbal 11 and the support portion 3 on the opposite side of the elastic connecting portion 14a across the outer gimbal 11. The elastic coupling portion 14 a and the elastic coupling portion 14 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the mirror 13, the inner gimbal 12, and the outer gimbal 11, and serve as the rotation axis i of the outer gimbal 11. As a result, the outer gimbal 11 is configured to be torsionally vibrated around the rotation axis i.

また櫛歯電極部17は、外ジンバル11の左辺11cに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部18は、櫛歯電極部17の上方において、左辺11cに沿って櫛歯状に形成されている。   The comb electrode portion 17 is formed in a comb shape along the left side 11 c of the outer gimbal 11. Further, the comb electrode portion 18 is formed in a comb shape along the left side 11 c above the comb electrode portion 17.

また櫛歯電極部19は、外ジンバル11の右辺11dに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部20は、櫛歯電極部19の上方において、右辺11dに沿って櫛歯状に形成されている。   Further, the comb electrode portion 19 is formed in a comb shape along the right side 11 d of the outer gimbal 11. Further, the comb electrode portion 20 is formed in a comb shape along the right side 11 d above the comb electrode portion 19.

次に支持部3は、上辺11aと連結されていない側の弾性連結部14aの端部と連結される上側支持部3aと、下辺11bと連結されていない側の弾性連結部14bの端部と連結される下側支持部3bとから構成される。   Next, the support portion 3 includes an upper support portion 3a connected to an end portion of the elastic connection portion 14a on the side not connected to the upper side 11a, and an end portion of the elastic connection portion 14b on the side not connected to the lower side 11b. It is comprised from the lower side support part 3b connected.

さらに駆動部4は、櫛歯電極部17と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部4aと、櫛歯電極部19と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部4bとから構成される。   Further, the driving unit 4 is formed in a comb-teeth electrode portion 4a formed in a comb-teeth shape that meshes with the comb-teeth electrode unit 17 with a predetermined interval, and in a comb-teeth shape that meshes with the comb-teeth electrode unit 19 with a predetermined interval. And the comb electrode portion 4b.

また角度検出部5は、櫛歯電極部18と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部5aと、櫛歯電極部20と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部5bとから構成される。   Further, the angle detection unit 5 is formed in a comb-teeth shape that is meshed with the comb-teeth electrode unit 18 with a predetermined interval and a comb-teeth shape that is meshed with the comb-teeth electrode unit 20 with a predetermined interval. It is comprised from the comb-tooth electrode part 5b made.

また櫛歯電極部4a,4bはそれぞれ、図2および図3に示すように、櫛歯電極部17,19と非対向となる2つの面KM1,KM2の何れか一方の面(図2,3では、面KM1)に、絶縁膜21を介して導電性の薄膜22が設けられている。また櫛歯電極部5a,5bにも同様に絶縁膜21を介して導電性の薄膜22が設けられている。   Further, as shown in FIGS. 2 and 3, each of the comb electrode portions 4a and 4b is one of two surfaces KM1 and KM2 that are not opposed to the comb electrode portions 17 and 19 (FIGS. 2 and 3). Then, a conductive thin film 22 is provided on the surface KM1) with an insulating film 21 interposed therebetween. Similarly, the comb-teeth electrode portions 5a and 5b are also provided with a conductive thin film 22 with an insulating film 21 interposed therebetween.

次に、光走査装置1の電気的構成について説明する。
光走査装置1は、図4に示すように、駆動信号発生回路31と、増幅回路32a,32bと、C−V変換回路33a,33bと、半導体レーザ34と、制御回路35とを備える。
Next, the electrical configuration of the optical scanning device 1 will be described.
As shown in FIG. 4, the optical scanning device 1 includes a drive signal generation circuit 31, amplification circuits 32 a and 32 b, CV conversion circuits 33 a and 33 b, a semiconductor laser 34, and a control circuit 35.

これらのうち駆動信号発生回路31は、主走査駆動信号生成部41と副走査駆動信号生成部42と乗算器43,44を備える。
まず主走査駆動信号生成部41は、光ビームを主走査方向に走査する周波数(以下、主走査周波数という)で電圧がローレベルからハイレベルに変化するパルス信号を、光ビーム走査部2を回転駆動するための駆動信号として出力する。なお以下、主走査駆動信号生成部41が出力する上記駆動信号を主走査駆動信号という。
Among these, the drive signal generation circuit 31 includes a main scan drive signal generation unit 41, a sub scan drive signal generation unit 42, and multipliers 43 and 44.
First, the main scanning drive signal generation unit 41 rotates the light beam scanning unit 2 with a pulse signal whose voltage changes from a low level to a high level at a frequency for scanning the light beam in the main scanning direction (hereinafter referred to as a main scanning frequency). It outputs as a drive signal for driving. Hereinafter, the drive signal output from the main scanning drive signal generation unit 41 is referred to as a main scanning drive signal.

そして主走査駆動信号生成部41は、図4および図5に示すように、主走査駆動信号として、電圧値がハイレベルである時間の比率(以下、デューティという)が50%である第1主走査駆動信号MS1と、第1主走査駆動信号MS1に対して位相が180°ずれている第2主走査駆動信号MS2を出力する。なお、第1主走査駆動信号MS1のローレベルの電圧値は0Vである。   As shown in FIGS. 4 and 5, the main scanning drive signal generation unit 41 uses the first main driving signal with a voltage ratio of 50% as a main scanning driving signal (hereinafter referred to as duty) as 50%. The scan drive signal MS1 and the second main scan drive signal MS2 whose phase is shifted by 180 ° with respect to the first main scan drive signal MS1 are output. The low level voltage value of the first main scanning drive signal MS1 is 0V.

また副走査駆動信号生成部42は、光ビームを副走査方向に走査する周波数(以下、副走査周波数という)で電圧がローレベルからハイレベルに変化するパルス信号を、光ビーム走査部2を回転駆動するための駆動信号として出力する。なお以下、副走査駆動信号生成部42が出力する上記駆動信号を副走査駆動信号という。   The sub-scanning drive signal generation unit 42 rotates the light beam scanning unit 2 with a pulse signal whose voltage changes from a low level to a high level at a frequency at which the light beam is scanned in the sub-scanning direction (hereinafter referred to as a sub-scanning frequency). It outputs as a drive signal for driving. Hereinafter, the drive signal output from the sub-scanning drive signal generation unit 42 is referred to as a sub-scanning drive signal.

そして副走査駆動信号生成部42は、副走査駆動信号として、デューティが50%である第1副走査駆動信号SS1と、第1副走査駆動信号SS1に対して位相が180°ずれている第2副走査駆動信号SS2を出力する。なお、第1副走査駆動信号SS1のローレベルの電圧値は0Vより高い。   Then, the sub-scanning drive signal generation unit 42 has a first sub-scanning driving signal SS1 having a duty of 50% as a sub-scanning driving signal and a second phase that is 180 ° out of phase with the first sub-scanning driving signal SS1. A sub-scanning drive signal SS2 is output. The low level voltage value of the first sub-scanning drive signal SS1 is higher than 0V.

また乗算器43は、図4に示すように、第1主走査駆動信号MS1と第1副走査駆動信号SS1との乗算値を算出し、この乗算値を示す信号を、第1駆動信号D1として出力する(図5を参照)。さらに乗算器44は、第2主走査駆動信号MS2と第2副走査駆動信号SS2との乗算値を算出し、この乗算値を示す信号を第2駆動信号D2として出力する(図5を参照)。   Further, as shown in FIG. 4, the multiplier 43 calculates a multiplication value of the first main scanning drive signal MS1 and the first sub-scanning driving signal SS1, and uses a signal indicating the multiplication value as the first driving signal D1. Output (see FIG. 5). Further, the multiplier 44 calculates a multiplication value of the second main scanning drive signal MS2 and the second sub-scanning driving signal SS2, and outputs a signal indicating this multiplication value as the second driving signal D2 (see FIG. 5). .

増幅回路32aは、乗算器43から出力された第1駆動信号D1を増幅して櫛歯電極部4aの薄膜22に印加する。また増幅回路32bは、乗算器44から出力された第2駆動信号D2を増幅して櫛歯電極部4bの薄膜22に印加する。   The amplifier circuit 32a amplifies the first drive signal D1 output from the multiplier 43 and applies it to the thin film 22 of the comb electrode portion 4a. The amplifier circuit 32b amplifies the second drive signal D2 output from the multiplier 44 and applies it to the thin film 22 of the comb electrode portion 4b.

C−V変換回路33a,33bは、櫛歯電極部5a,5bの薄膜22と櫛歯電極部18,20との間の静電容量を電圧値に変換する。
半導体レーザ34は、光ビームの発光源であり、光ビームをミラー13に向けて照射する。
The CV conversion circuits 33a and 33b convert the electrostatic capacitance between the thin film 22 of the comb electrode portions 5a and 5b and the comb electrode portions 18 and 20 into a voltage value.
The semiconductor laser 34 is a light beam emission source, and irradiates the light beam toward the mirror 13.

制御回路35は、C−V変換回路33a,33bから出力される電圧をモニタし、この電圧値に基づいて半導体レーザ34を制御するとともに、駆動信号発生回路31を制御する。   The control circuit 35 monitors the voltage output from the CV conversion circuits 33a and 33b, controls the semiconductor laser 34 based on the voltage value, and controls the drive signal generation circuit 31.

次に、光走査装置1の動作原理を説明する。
光走査装置1は、支持部3を固定端として、回転軸i,j,kに対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。
Next, the operation principle of the optical scanning device 1 will be described.
The optical scanning device 1 is a three-degree-of-freedom torsional vibrator having a degree of freedom of twisting with respect to the rotation axes i, j, and k with the support portion 3 as a fixed end.

3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。すなわち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。以下、これら3つの振動モードをそれぞれ、振動モード1、振動モード2、振動モード3という。   A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratio of the angular amplitude of the torsional vibration of each frame to each resonance frequency is different (this is called a vibration mode). Hereinafter, these three vibration modes are referred to as vibration mode 1, vibration mode 2, and vibration mode 3, respectively.

なお、櫛歯電極部4a,4bに電圧を印加すると、櫛歯電極部17,19との間に静電気力が発生する。以下の振動モードの詳細説明の中で述べるが、内ジンバル12、ミラー13の振幅に対し外ジンバル11の振幅は小さいため、外ジンバル11が1周期振動する間に櫛歯電極部17,19は櫛歯電極部4a,4bに1回接近する。このため、共振周波数に近い周期的静電気力が加われば、3自由度捻り振動子を共振状態にできる(以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という)。また、櫛歯電極部17,19が櫛歯電極部4a,4bに接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。   When a voltage is applied to the comb electrode portions 4a and 4b, an electrostatic force is generated between the comb electrode portions 17 and 19. As will be described in the following detailed description of the vibration mode, since the amplitude of the outer gimbal 11 is smaller than the amplitude of the inner gimbal 12 and the mirror 13, the comb electrode portions 17 and 19 are moved while the outer gimbal 11 vibrates for one cycle. It approaches the comb electrode parts 4a and 4b once. For this reason, if a periodic electrostatic force close to the resonance frequency is applied, the torsional vibrator having three degrees of freedom can be brought into a resonance state (hereinafter, an excitation force for making the resonance state is referred to as a periodic excitation force). Further, every time the comb electrode portions 17 and 19 approach the comb electrode portions 4a and 4b, a periodic excitation force can be applied.

そして、振動モード1、振動モード2、振動モード3の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。   If a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of vibration mode 1, vibration mode 2, and vibration mode 3 is applied, the respective vibration modes can be excited. In addition, if a plurality of periodic excitation forces with a plurality of frequencies are superimposed and applied, a plurality of vibration modes can be excited simultaneously.

ここで、例えば、
振動モード1の共振周波数f1を1000Hz、
振動モード2の共振周波数f2を5000Hz、
振動モード3の共振周波数f3を40000Hz、
振動モード1における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r1を「1:−20:0.5」、
振動モード2における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r2を「1:0.01:−50」、
振動モード3における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r3を「1:0.02:−0.03」、
として設計した場合の、3自由度捻り振動子の動作を説明する。
Here, for example,
The resonance frequency f1 of vibration mode 1 is 1000 Hz,
The resonance frequency f2 of vibration mode 2 is 5000 Hz,
The resonance frequency f3 of vibration mode 3 is 40000 Hz,
The amplitude ratio r1 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 in the vibration mode 1 is “1: −20: 0.5”,
The amplitude ratio r2 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 in the vibration mode 2 is “1: 0.01: −50”,
The amplitude ratio r3 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 in the vibration mode 3 is “1: 0.02: −0.03”,
The operation of the three-degree-of-freedom torsional vibrator will be described.

なお、各振動モードにおける振幅比は、左から外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の順で記述している。例えば、上記の振幅比r1は、外ジンバル11の振幅が「1」とすると、内ジンバル12の振幅が「−20」、ミラー13の振幅が「0.5」となることを示す。   The amplitude ratio in each vibration mode is described in the order of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 from the left. For example, when the amplitude of the outer gimbal 11 is “1”, the amplitude ratio r1 indicates that the amplitude of the inner gimbal 12 is “−20” and the amplitude of the mirror 13 is “0.5”.

また、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は0度または180度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が0度の場合は符号を「+」、180度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比r1は、外ジンバル11とミラー13との位相角の差が0度となり、外ジンバル11と内ジンバル12との位相角の差が180度となることを示す。   In the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, the phase angle between the frames is theoretically 0 degree or 180 degrees. Therefore, when describing the amplitude ratio, the sign is “+” when the phase angle difference is 0 degree, and the sign is “−” when the difference is 180 degrees. For example, the amplitude ratio r1 indicates that the phase angle difference between the outer gimbal 11 and the mirror 13 is 0 degree, and the phase angle difference between the outer gimbal 11 and the inner gimbal 12 is 180 degrees.

そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード1では、主に内ジンバル12と、内ジンバル12に繋がったミラー13とが1000Hzで大きく捻り振動する。また、振動モード2では、主にミラー13が5000Hzで大きく捻り振動する。   When the resonance frequency and amplitude ratio of each vibration mode are designed as described above, in the vibration mode 1, mainly the inner gimbal 12 and the mirror 13 connected to the inner gimbal 12 are largely torsionally vibrated at 1000 Hz. Further, in the vibration mode 2, the mirror 13 is largely twisted and vibrated at 5000 Hz.

このため、ミラー13の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード1と振動モード2とを同時に励振させることにより、振動モード2を主走査方向(5000Hz)、振動モード1を副走査方向(1000Hz)として、2次元的にレーザ光を走査することができる。   For this reason, the laser beam is reflected by the mirror surface portion of the mirror 13 and the vibration mode 1 and the vibration mode 2 are simultaneously excited, so that the vibration mode 2 is in the main scanning direction (5000 Hz) and the vibration mode 1 is in the sub-scanning direction ( 1000 Hz), the laser beam can be scanned two-dimensionally.

次に、光走査装置1の動作について説明する。
制御回路35による制御に基づいて駆動信号発生回路31が、第1,2駆動信号D1,D2を出力すると、増幅回路32によりこの駆動信号の電圧値が増幅されて櫛歯電極部4a,4bに印加され、櫛歯電極部4a,4bと、櫛歯電極部17,19との間にパルス電圧が印加されて周期的に変化する静電引力が生じる。すなわち、櫛歯電極部4aの薄膜22と櫛歯電極部17との間に電圧が印加されると、図6に示すように、櫛歯電極部4aと櫛歯電極部17とが引き合い、外ジンバル11を図6における時計回り方向に回転させる力が働く。また、櫛歯電極部4bの薄膜22と櫛歯電極部19との間に電圧が印加されると、櫛歯電極部4bと櫛歯電極部19とが引き合い、外ジンバル11を図6における反時計回り方向に回転させる力が働く。これにより、光ビーム走査部2が弾性連結部14a,14bを回転軸iとして往復振動する。
Next, the operation of the optical scanning device 1 will be described.
When the drive signal generation circuit 31 outputs the first and second drive signals D1 and D2 based on the control by the control circuit 35, the voltage value of the drive signal is amplified by the amplifier circuit 32 and is applied to the comb electrode portions 4a and 4b. When applied, a pulse voltage is applied between the comb-tooth electrode portions 4a and 4b and the comb-tooth electrode portions 17 and 19, and an electrostatic attractive force that changes periodically is generated. That is, when a voltage is applied between the thin film 22 of the comb electrode portion 4a and the comb electrode portion 17, the comb electrode portion 4a and the comb electrode portion 17 attract each other as shown in FIG. A force for rotating the gimbal 11 in the clockwise direction in FIG. Further, when a voltage is applied between the thin film 22 of the comb electrode part 4b and the comb electrode part 19, the comb electrode part 4b and the comb electrode part 19 attract each other, and the outer gimbal 11 is made opposite to that shown in FIG. A force to rotate in the clockwise direction works. Thereby, the light beam scanning unit 2 reciprocally vibrates about the elastic coupling portions 14a and 14b as the rotation axis i.

そして、駆動信号発生回路31が出力する第1,2駆動信号D1,D2は、図7に示すように、ミラー13の角度振幅が外ジンバル11および内ジンバル12よりも大きい振動モードの共振周波数(主走査周波数)でローレベルからハイレベルに変化する。このため、外ジンバル11が主走査周波数で往復振動する(図7の波形W1を参照)。   As shown in FIG. 7, the first and second drive signals D1 and D2 output from the drive signal generation circuit 31 are vibration mode resonance frequencies (where the angular amplitude of the mirror 13 is larger than that of the outer gimbal 11 and the inner gimbal 12). The main scanning frequency changes from a low level to a high level. For this reason, the outer gimbal 11 reciprocates at the main scanning frequency (see the waveform W1 in FIG. 7).

さらに、駆動信号発生回路31が出力する第1,2駆動信号D1,D2は、内ジンバル12の角度振幅が外ジンバル11およびミラー13よりも大きい振動モードの共振周波数(副走査周波数)でローレベルからハイレベルに変化する。このため、外ジンバル11が副走査周波数でうねるように振動する(図7の波形W2を参照)。   Further, the first and second drive signals D1 and D2 output from the drive signal generation circuit 31 are at a low level at the resonance frequency (sub-scanning frequency) of the vibration mode in which the angular amplitude of the inner gimbal 12 is larger than that of the outer gimbal 11 and the mirror 13. Changes from high to low. For this reason, the outer gimbal 11 vibrates so as to wave at the sub-scanning frequency (see the waveform W2 in FIG. 7).

これにより、ミラー13が、弾性連結部16a,16bを回転軸として主走査周波数で振動するとともに、内ジンバル12が、弾性連結部15a,15bを回転軸として副走査周波数で振動する。   As a result, the mirror 13 vibrates at the main scanning frequency with the elastic coupling portions 16a and 16b as the rotation axes, and the inner gimbal 12 vibrates at the sub-scanning frequency with the elastic coupling portions 15a and 15b as the rotation axes.

そして、この状態でミラー13に半導体レーザ34から光ビームが照射されると、その光ビームがミラー13の鏡面で反射されることにより出射されるとともに、ミラー13の往復振動に伴い、ミラー13の回転角度に応じた方向に走査される。   In this state, when the mirror 13 is irradiated with a light beam from the semiconductor laser 34, the light beam is emitted by being reflected by the mirror surface of the mirror 13. Scanning is performed in a direction corresponding to the rotation angle.

一方、外ジンバル11の往復振動に伴い、櫛歯電極部5a,5bと櫛歯電極部18,20との距離も周期的に変化する。これにより、櫛歯電極部5a,5bの薄膜22と櫛歯電極部18,20との間の静電容量が、外ジンバル11の回転角度に応じて変化する。そして制御回路35は、これらの静電容量に基づき、外ジンバル11の回転角度を検出する。なお上述したように、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は0度または180度であるため、外ジンバル11の回転角度を検出することにより、ミラー13の回転角度を検出することができる。   On the other hand, with the reciprocal vibration of the outer gimbal 11, the distance between the comb electrode portions 5a and 5b and the comb electrode portions 18 and 20 also periodically changes. Thereby, the electrostatic capacitance between the thin film 22 of the comb-tooth electrode portions 5 a and 5 b and the comb-tooth electrode portions 18 and 20 changes according to the rotation angle of the outer gimbal 11. The control circuit 35 detects the rotation angle of the outer gimbal 11 based on these capacitances. As described above, in the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, since the phase angle between the frames is theoretically 0 degree or 180 degrees, the mirror is detected by detecting the rotation angle of the outer gimbal 11. Thirteen rotation angles can be detected.

このように構成された光走査装置1は、光ビームを反射させる鏡面部を有するミラー13と、ミラー13に連結された弾性変形可能な弾性連結部16a,16bを有し、弾性連結部16a,16bを回転軸kとしてミラー13を揺動可能に支持する内ジンバル12と、内ジンバル12に連結された弾性変形可能な弾性連結部15a,15bを有し、弾性連結部15a,15bを回転軸jとして内ジンバル12を揺動可能に支持する外ジンバル11と、外ジンバル11に連結された弾性変形可能な弾性連結部14a,14bを回転軸iとして外ジンバル11を揺動可能に支持する支持部3とを備えて、ミラー13、内ジンバル12、外ジンバル11、支持部3、弾性連結部16a,16b、弾性連結部15a,15b、及び弾性連結部14a,14bが、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成する。   The optical scanning device 1 configured as described above includes a mirror 13 having a mirror surface portion that reflects a light beam, and elastically deformable elastic connecting portions 16 a and 16 b connected to the mirror 13. An inner gimbal 12 that supports the mirror 13 so as to be swingable about a rotation axis k, and elastically deformable elastic connection portions 15a and 15b connected to the inner gimbal 12, and the elastic connection portions 15a and 15b as rotation axes An outer gimbal 11 that swingably supports the inner gimbal 12 as j, and a support that swingably supports the outer gimbal 11 with the elastically deformable elastic connecting portions 14a and 14b connected to the outer gimbal 11 as the rotation axis i. Part 3, mirror 13, inner gimbal 12, outer gimbal 11, support part 3, elastic coupling parts 16 a and 16 b, elastic coupling parts 15 a and 15 b, and elastic coupling part 14 a, 4b constitute three degrees of freedom coupled vibration system of torsional vibration with a large rotation angle when the specific periodic external force acts.

そして、駆動信号発生回路31が、主走査周波数で振動するパルス信号と副走査周波数で振動するパルス信号とが重畳された第1,2駆動信号D1,D2を出力することにより、櫛歯電極部17,19と櫛歯電極部4a,4bとの間に、主走査周波数の周期的加振力と副走査周波数の周期的加振力とを重畳して与える。   Then, the drive signal generation circuit 31 outputs the first and second drive signals D1 and D2 in which the pulse signal that oscillates at the main scanning frequency and the pulse signal that oscillates at the sub-scanning frequency are superimposed, so that the comb electrode portion A periodic excitation force of the main scanning frequency and a periodic excitation force of the sub-scanning frequency are superimposed between the comb-like electrode portions 4a and 4b.

これにより、ミラー13が主走査周波数で振動するとともに、内ジンバル12が副走査周波数で振動して、ミラー13で反射するレーザ光を2次元的に走査することができる。
そして駆動部4は、回転軸iを挟んだ外ジンバル11の両側のうち一方側に固有の周期的外力を作用させる櫛歯電極部4aと、回転軸iを挟んだ外ジンバル11の両側のうち他方側に固有の周期的外力を作用させる櫛歯電極部4bとから構成される。
As a result, the mirror 13 vibrates at the main scanning frequency, and the inner gimbal 12 vibrates at the sub-scanning frequency, and the laser light reflected by the mirror 13 can be scanned two-dimensionally.
The drive unit 4 includes a comb electrode portion 4a that applies a specific periodic external force to one side of both sides of the outer gimbal 11 with the rotation axis i interposed therebetween, and a side of the outer gimbal 11 with the rotation axis i interposed therebetween. It is comprised from the comb-tooth electrode part 4b which applies the periodic external force intrinsic | native to the other side.

さらに駆動信号発生回路31は、駆動部4の櫛歯電極部4aを駆動させるための第1駆動信号D1と、駆動部4の櫛歯電極部4bを駆動させるための第2駆動信号D2を生成する。   Further, the drive signal generation circuit 31 generates a first drive signal D1 for driving the comb-teeth electrode part 4a of the drive unit 4 and a second drive signal D2 for driving the comb-teeth electrode part 4b of the drive unit 4 To do.

そして第1駆動信号D1は、ミラー13が揺動する周波数である主走査周波数で電圧が、0Vとなるように予め設定されたローレベルから、このローレベルより高くなるように予め設定されたハイレベルに変化するとともにデューティが50%である第1主走査駆動信号MS1と、内ジンバル12が揺動する周波数である副走査周波数で電圧が、0Vより高くなるように予め設定されたローレベルから、このローレベルより高くなるように予め設定されたハイレベルに変化するとともにデューティが50%である第1副走査駆動信号SS1とを乗算した信号であり、第2駆動信号D2は、第1主走査駆動信号MS1の位相を180°ずらした第2主走査駆動信号MS2と、第1副走査駆動信号SS1の位相を180°ずらした信号とを乗算した第2副走査駆動信号SS2である。   The first drive signal D1 is set to a preset high level so that the voltage becomes higher than the low level from a preset low level so that the voltage becomes 0 V at the main scanning frequency that is the frequency at which the mirror 13 swings. The first main scanning drive signal MS1 having a duty ratio of 50% and the sub-scanning frequency, which is the frequency at which the inner gimbal 12 swings, changes from the low level set in advance so that the voltage becomes higher than 0V. The second drive signal D2 is a signal obtained by multiplying the first sub-scanning drive signal SS1 that changes to a preset high level so as to be higher than the low level and that has a duty of 50%. The second main scanning drive signal MS2 obtained by shifting the phase of the scanning drive signal MS1 by 180 ° is multiplied by the signal obtained by shifting the phase of the first sub-scanning drive signal SS1 by 180 °. This is the second sub-scanning drive signal SS2.

まず、第1駆動信号D1および第2駆動信号D2は、主走査周波数で振動するパルス信号と、副走査周波数で振動するパルス信号とを乗算した信号である。このため、櫛歯電極部4aおよび櫛歯電極部4bはそれぞれ、回転軸iを挟んだ外ジンバル11の一方側および他方側に、ミラー13が主走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力と、内ジンバル12が副走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることができる。これにより、ミラー13が主走査周波数で振動するとともに、内ジンバル12が副走査周波数で振動し、ミラー13で反射するレーザ光を2次元的に走査することができる。なお、上記の重畳された周期的加振力が外ジンバル11に与えられることにより、外ジンバル11は、弾性連結部14a,14bを回転軸iとして、主走査周波数で往復振動するとともに、副走査周波数でうねるように振動する。   First, the first drive signal D1 and the second drive signal D2 are signals obtained by multiplying a pulse signal that oscillates at the main scanning frequency by a pulse signal that oscillates at the sub-scanning frequency. For this reason, the comb-tooth electrode portion 4a and the comb-tooth electrode portion 4b are respectively periodically provided on one side and the other side of the outer gimbal 11 across the rotation axis i, corresponding to the vibration mode in which the mirror 13 vibrates at the main scanning frequency. The excitation force and the periodic excitation force corresponding to the vibration mode in which the inner gimbal 12 vibrates at the sub-scanning frequency can be applied in a superimposed manner. Thereby, the mirror 13 vibrates at the main scanning frequency, and the inner gimbal 12 vibrates at the sub-scanning frequency, and the laser light reflected by the mirror 13 can be scanned two-dimensionally. The above-described superimposed periodic excitation force is applied to the outer gimbal 11, so that the outer gimbal 11 reciprocally vibrates at the main scanning frequency with the elastic coupling portions 14a and 14b as the rotation axis i, and the sub scanning. Vibrates like a wave at frequency.

そして第1駆動信号D1は、上記の第1主走査駆動信号MS1と上記の第1副走査駆動信号SS1とを乗算した信号である。このため第1駆動信号D1は、主走査周波数で電圧値が0Vから、0Vより高い所定のハイレベル(以下、第1駆動信号ハイレベルという)に変化する。   The first driving signal D1 is a signal obtained by multiplying the first main scanning driving signal MS1 and the first sub scanning driving signal SS1. For this reason, the first drive signal D1 changes from a voltage value of 0V to a predetermined high level higher than 0V (hereinafter referred to as a first drive signal high level) at the main scanning frequency.

一方、第2駆動信号D2は、上記の第1主走査駆動信号MS1の位相を180°ずらした第2主走査駆動信号MS2と、上記の第1副走査駆動信号SS1の位相を180°ずらした第2副走査駆動信号SS2とを乗算した信号である。このため、第2駆動信号D2の電圧値は、第1駆動信号D1の電圧が0Vのときに、0Vより高い所定のハイレベルになるとともに、第1駆動信号D1の電圧が0Vより高い所定のハイレベルのときに、0Vになる。   On the other hand, the second drive signal D2 is obtained by shifting the phase of the first main scan drive signal MS1 by 180 ° and the phase of the first sub scan drive signal SS1 by 180 °. This is a signal obtained by multiplying the second sub-scanning drive signal SS2. For this reason, when the voltage of the first drive signal D1 is 0V, the voltage value of the second drive signal D2 becomes a predetermined high level higher than 0V, and the voltage of the first drive signal D1 is higher than 0V. At high level, it becomes 0V.

したがって、櫛歯電極部4aが外ジンバル11の一方側に周期的加振力を与えているときには、櫛歯電極部4bは外ジンバル11の他方側に周期的加振力を与えていない。同様に、櫛歯電極部4bが外ジンバル11の他方側に周期的加振力を与えているときには、櫛歯電極部4aは外ジンバル11の一方側に周期的加振力を与えていない。   Therefore, when the comb electrode portion 4 a applies a periodic excitation force to one side of the outer gimbal 11, the comb electrode portion 4 b does not apply a periodic excitation force to the other side of the outer gimbal 11. Similarly, when the comb electrode part 4 b applies a periodic excitation force to the other side of the outer gimbal 11, the comb electrode part 4 a does not apply a periodic excitation force to one side of the outer gimbal 11.

このため、櫛歯電極部4aおよび櫛歯電極部4bは互いに、他方の周期的加振力を打ち消すように自身の周期的加振力を外ジンバル11に与えるということがなくなる。これにより、外ジンバル11が弾性連結部14a,14bを回転軸iとして主走査周波数で往復振動するときの振動振幅を大きくすることができる。そして、3自由度連成振動系では、ミラー13が主走査周波数で振動する振動振幅と、内ジンバル12が副走査周波数で振動する振動振幅は、外ジンバル11の振動振幅に比例する。このため、ミラー13が主走査周波数で振動する振動振幅が大きくなり、主走査方向の走査範囲を大きくすることができる。   For this reason, the comb-tooth electrode part 4a and the comb-tooth electrode part 4b do not apply their own periodic excitation force to the outer gimbal 11 so as to cancel each other's periodic excitation force. Thereby, the vibration amplitude when the outer gimbal 11 reciprocally vibrates at the main scanning frequency with the elastic coupling portions 14a and 14b as the rotation axis i can be increased. In the three-degree-of-freedom coupled vibration system, the vibration amplitude at which the mirror 13 vibrates at the main scanning frequency and the vibration amplitude at which the inner gimbal 12 vibrates at the sub-scanning frequency are proportional to the vibration amplitude of the outer gimbal 11. For this reason, the vibration amplitude at which the mirror 13 vibrates at the main scanning frequency is increased, and the scanning range in the main scanning direction can be increased.

以上説明した実施形態において、ミラー13は本発明における反射部、弾性連結部16a,16bは本発明における第1弾性連結部、内ジンバル12は本発明における第1支持部、弾性連結部15a,15bは本発明における第2弾性連結部、外ジンバル11は本発明における第2支持部、弾性連結部14a,14bは本発明における第3弾性連結部、支持部3は本発明における第3支持部である。   In the embodiment described above, the mirror 13 is the reflection part in the present invention, the elastic connection parts 16a and 16b are the first elastic connection part in the present invention, and the inner gimbal 12 is the first support part and the elastic connection parts 15a and 15b in the present invention. Is the second elastic connecting portion in the present invention, the outer gimbal 11 is the second supporting portion in the present invention, the elastic connecting portions 14a and 14b are the third elastic connecting portions in the present invention, and the supporting portion 3 is the third supporting portion in the present invention. is there.

また、駆動部4は本発明における外力作用手段、駆動信号発生回路31は本発明における駆動信号生成手段、櫛歯電極部4aは本発明における第1外力作用手段、櫛歯電極部4bは本発明における第2外力作用手段、第1主走査駆動信号MS1は本発明における第1パルス信号、第1副走査駆動信号SS1は本発明における第2パルス信号である。   Further, the drive unit 4 is an external force application unit in the present invention, the drive signal generation circuit 31 is a drive signal generation unit in the present invention, the comb electrode unit 4a is a first external force application unit in the present invention, and the comb electrode unit 4b is in the present invention. The second external force application means, the first main scanning drive signal MS1 is the first pulse signal in the present invention, and the first sub-scanning drive signal SS1 is the second pulse signal in the present invention.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態においては、櫛歯電極部4a,4bと、櫛歯電極部17,19との間に静電引力を生じさせることにより、外ジンバル11を往復振動させるものを示した。しかし、圧電駆動等により外ジンバル11を往復振動させるようにしてもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, As long as it belongs to the technical scope of this invention, a various form can be taken.
For example, in the above-described embodiment, the outer gimbal 11 is reciprocally vibrated by generating an electrostatic attractive force between the comb-tooth electrode portions 4a and 4b and the comb-tooth electrode portions 17 and 19. However, the outer gimbal 11 may be reciprocally vibrated by piezoelectric driving or the like.

1…光走査装置、2…光ビーム走査部、3…支持部、4…駆動部、4a,4b…櫛歯電極部、11…外ジンバル、12…内ジンバル、13…ミラー、14a,14b,15a,15b,16a,16b…弾性連結部、17,19…櫛歯電極部、31…駆動信号発生回路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical scanning device, 2 ... Light beam scanning part, 3 ... Support part, 4 ... Drive part, 4a, 4b ... Comb electrode part, 11 ... Outer gimbal, 12 ... Inner gimbal, 13 ... Mirror, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, 16b ... elastic connecting portion, 17, 19 ... comb electrode portion, 31 ... drive signal generating circuit

Claims (1)

光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、
前記反射部に連結された弾性変形可能な第1弾性連結部を有し、該第1弾性連結部を第1回転軸として前記反射部を揺動可能に支持する第1支持部と、
前記第1支持部に連結された弾性変形可能な第2弾性連結部を有し、該第2弾性連結部を第2回転軸として前記第1支持部を揺動可能に支持する第2支持部と、
前記第2支持部に連結された弾性変形可能な第3弾性連結部を有し、該第3弾性連結部を第3回転軸として前記第2支持部を揺動可能に支持する第3支持部と
を備えて、前記反射部、前記第1支持部、前記第2支持部、前記第3支持部、前記第1弾性連結部、前記第2弾性連結部、及び前記第3弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成し、
更に、前記3自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる外力作用手段と、
前記外力作用手段を駆動させるための駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、
前記外力作用手段は、
前記第3回転軸を挟んだ前記第2支持部の両側のうち一方側に前記固有の周期的外力を作用させる第1外力作用手段と、前記第3回転軸を挟んだ前記第2支持部の両側のうち他方側に前記固有の周期的外力を作用させる第2外力作用手段とから構成され、
前記駆動信号生成手段は、前記第1外力作用手段を駆動させるための第1駆動信号と、前記第2外力作用手段を駆動させるための第2駆動信号を生成し、
前記第1駆動信号は、
前記反射部が揺動する周波数である主走査周波数で電圧が、0Vとなるように予め設定された第1ローレベルから、前記第1ローレベルより高くなるように予め設定された第1ハイレベルに変化するとともにデューティが50%である第1パルス信号と、前記第1支持部が揺動する周波数である副走査周波数で電圧が、0Vより高くなるように予め設定された第2ローレベルから、前記第2ローレベルより高くなるように予め設定された第2ハイレベルに変化するとともにデューティが50%である第2パルス信号とを乗算した信号であり、
前記第2駆動信号は、
前記第1パルス信号の位相を180°ずらした信号と、前記第2パルス信号の位相を180°ずらした信号とを乗算した信号である
ことを特徴とする光走査装置。
A reflecting portion having a reflecting surface for reflecting the light beam;
A first support part that has an elastically deformable first elastic connection part that is connected to the reflection part, and supports the reflection part in a swingable manner with the first elastic connection part as a first rotation axis;
A second support portion having a second elastic connection portion that is elastically deformable connected to the first support portion, and supports the first support portion in a swingable manner using the second elastic connection portion as a second rotation shaft. When,
A third support portion having a third elastic connection portion that is elastically deformable connected to the second support portion, and supports the second support portion in a swingable manner using the third elastic connection portion as a third rotation shaft. And the reflection part, the first support part, the second support part, the third support part, the first elastic connection part, the second elastic connection part, and the third elastic connection part, A three-degree-of-freedom coupled vibration system that torsionally vibrates at a large rotation angle when an inherent periodic external force is applied,
Furthermore, an external force acting means for causing the inherent periodic external force to act on the three-degree-of-freedom coupled vibration system;
Drive signal generating means for generating a drive signal for driving the external force acting means,
The external force acting means is
A first external force application means for applying the inherent periodic external force to one side of both sides of the second support portion sandwiching the third rotation shaft; and a second support portion sandwiching the third rotation shaft. A second external force application means for applying the inherent periodic external force to the other of the two sides;
The drive signal generating means generates a first drive signal for driving the first external force acting means and a second drive signal for driving the second external force acting means,
The first drive signal is:
A first high level that is preset to be higher than the first low level from a first low level that is preset to be 0 V at a main scanning frequency that is a frequency at which the reflecting portion swings. From the first low pulse level that is set in advance so that the voltage becomes higher than 0 V at the first pulse signal having a duty ratio of 50% and the sub-scanning frequency that is the frequency at which the first support portion swings. , A signal obtained by multiplying a second pulse signal that changes to a second high level that is preset to be higher than the second low level and that has a duty of 50%,
The second drive signal is:
An optical scanning device characterized by being a signal obtained by multiplying a signal obtained by shifting the phase of the first pulse signal by 180 ° and a signal obtained by shifting the phase of the second pulse signal by 180 °.
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